La crescita batterica

Quando si fa riferimento alla crescita batterica si indica l’aumento numerico della popolazione batterica nel suo complesso. Il termine “crescita”, di fatto, non si limita ad indicare un aumento delle dimensioni cellulari ma si riferisce piuttosto alla capacità di una popolazione di replicarsi.

Se un microrganismo aumenta di dimensioni e si divide dando origine a due cellule figlie fa aumentare il numero di cellule della popolazione. In linea generale, i procarioti adottano la più semplice fra le modalità di crescita: la scissione binaria. Ciò nonostante, alcuni batteri possono riprodursi anche attraverso spore riproduttive, ne sono un esempio gli Streptomiceti.

Considerazioni introduttive

Le cellule batteriche vanno incontro a ripetute e rapide divisioni che gli permettono di dare origine ad una vasta progenie in poco tempo. Se volessimo fare alcuni esempi, in condizioni nutrizionali ottimali, Escherichia coli in soli 20 minuti può svolgere un ciclo di crescita completo. Altri batteri, come ad esempio Mycobacterium tuberculosis  che si divide ogni 16-20 ore, hanno invece una velocità estremamente ridotta se paragonati ad altri microrganismi. Questo semplice confronto fa capire come il ritmo di crescita batterica tra le varie specie differisce notevolmente, seppur c’è da considerare che in seguito al tempo di generazione (tempo necessario ad una cellula per duplicarsi) è possibile raggiungere anche molti miliardi di individui.

Pur partendo da poche cellule iniziali col tempo si formano delle colonie di microrganismi, altrimenti individualmente invisibili se non con l’aiuto del microscopio, che diventano visibili a occhio nudo almeno come aggregato di cellule.

Condizioni di crescita

La sopravvivenza e la crescita batterica sono condizionati da diversi fattori che si possono classificare come fisici, chimici ma anche propri del microrganismo, considerando quindi i fattori di variabilità genetica. In riferimento a quest’ultimo aspetto, almeno per alcuni microrganismi, è possibile acquisire mutazioni spontanee o indotte. Esistono inoltre meccanismi di scambio di geni rappresentati dalla coniugazione, trasformazione e trasduzione.

Per quanto riguarda le condizioni chimico-fisiche, soprattutto in riferimento alla coltivazione in laboratorio, è importante garantire un ambiente controllato così da ottenere le condizioni ottimali di crescita. È necessario fornire ai microrganismi un’ampia disponibilità di nutrienti in relazione al fabbisogno nutrizionale delle specie microbiche che si vogliono coltivare. A questo aspetto bisogna aggiungere la necessità di un corretto pH, un corretto ambiente umido e una bilanciata pressione osmotica. In relazione alle varie esigenze, i batteri possono essere distinti anche in: aerobi obbligati (Pseudomonas aeruginosa), aerobi/anaerobi facoltativi, anerobi obbligati (Clostridium) e microaerofili (Helicobacter pylori).

I microrganismi presentano un intervallo di temperatura entro il quale riescono a vivere e riprodursi. Possiamo distinguere (Figura 1):

classificazione dei batteri sulla base della temperatura di crescita
Figura 1- Classificazione dei batteri sulla base della temperatura di crescita

Si può notare dall’immagine che gli intervalli di temperatura si sovrappongono, ad indicare come i valori siano orientativi. In tal senso è, infatti, importante precisare altri due casi limite: termofili estremi (tra i 70 e i 110 °C) e i psicrofili estremi (tra i -2 e i -10 °C).

La curva di crescita

Per poter descrivere, in seguito ad un esperimento, con quale andamento avviene la crescita batterica si fa uso di una specifica curva. I dati ottenuti, messi in un grafico con in ascissa il tempo e in ordinata il numero di cellule presenti, rappresenteranno la popolazione batterica.

curva di crescita batterica
Figura 2- Rappresentazione della curva di crescita batterica

Dalla curva di crescita batterica, come mostrato in Figura 2, possono essere descritte diverse fasi:

  • Fase di latenza: nella fase lag non c’è un aumento del numero di cellule. Si tratta infatti di una “fase di adattamento” dove si potrebbe eventualmente apprezzare un lieve aumento volumetrico cellulare. In questo periodo, più o meno breve a seconda delle condizioni e talvolta anche assente, solitamente si osserva sintesi di nuovi enzimi e nuove componenti strutturali cellulari;
  • Fase esponenziale: nella fase log i microrganismi crescono e si dividono alla massima velocità possibile relativamente al loro potenziale genetico, alle condizioni di crescita e alla natura del terreno in cui sono stati inseriti;
  • Fase stazionaria: nella fase di plateau il numero totale di cellule vitali rimane costante. Sono diversi i motivi per cui si arriva a questa fase, primo tra tutti l’esaurimento dei nutrienti (e di ossigeno libero se si fa riferimento alle specie aerobie) presenti nel terreno. Inoltre potrebbe avvenire un accumulo di cataboliti giungendo, infine, ad un’elevata densità cellulare;
  • Fase di declino: a volte definita anche come fase di morte, è caratterizzata da una diminuzione del numero di cellule vive nel tempo. Durante questo periodo, si verifica lisi cellulare (anche se alcune rimangono integre a lungo anche dopo la morte) e perdita irreversibile della capacità di riprodursi;

Modello matematico per valutare la crescita batterica

Riuscire ad ottenere una modellazione della crescita microbica è un obbiettivo importante della microbiologia predittiva. In particolar modo, per prevedere l’andamento della crescita batterica è molto utile far riferimento a quelli che vengono definiti modelli matematici primari. Le diverse fasi della curva di crescita di una popolazione batterica possono essere descritte, ad esempio, dall’equazione Gompertz con equazione differenziale:

equazione di Gompertz
Figura 3- Equazione di Gompertz

dove N rappresenta la popolazione, mentre le costanti r e K rispettivamente il tasso di crescita e il carrying capacity, ovvero il termine asintotico della popolazione (definito dalle risorse disponibili nell’ambiente).

Come in qualsiasi esercizio di modellazione, per la costruzione del modello vengono introdotte di norma delle semplificazioni. Ad esempio, in questo caso, si assume che la crescita batterica abbia luogo solo nella fase esponenziale, che tutte le cellule siano uguali e che non interagiscano tra loro.

Tecniche per misurare la crescita batterica

Esistono molti metodi per misurare la proliferazione batterica. Le tecniche più comuni sono: la conta totale (mediante microscopio), la conta vitale (mediante piastramenti) o la stima della massa cellulare con, ad esempio, la misurazione turbidimetrica. Ciò che permette di effettuare misure di torbidità è l’uso dello spettrofotometro: tanto maggiore è il numero delle cellule presenti, tanto più densa (opaca) sarà la coltura, riflettendo così la luce.

spettrofotometro e torbidità batterica
Figura 4- Uso dello spettrofotometro per la misurazione della torbidità batterica

Se da una parte con la conta diretta al microscopio o la conta vitale si ottiene una misurazione molto più sensibile, la torbidità è una tecnica efficace per misurare la densità cellulare in modo rapido, facile e che non danneggia o distrugge il campione.

Fonti

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